软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素及失稳机理研究_邓安.pdf

软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素及失稳机理研究邓安(中冶成都勘察研究总院有限公司,四川 成都 6 1 0 0 2 3)摘 要:软硬互层顺层岩质边坡的稳定性受多种因素影响,并且失稳机理十分复杂,难以进行针对性的防治。针对软硬互层顺层岩质边坡稳定性的影响因素,通过F L A C 3 D进行数值模拟,从岩层倾角、软硬岩层厚度比和岩性组合进行了研究。计算结果表明:随着岩层倾角的增大,顺层边坡从整体呈推移式破坏转向沿软硬岩接触面分层滑动;软岩和硬岩厚度的增加均会导致边坡稳定性下降,但是硬岩厚度大时,边坡主要沿软岩夹层滑动;黏聚力对边坡稳定性的影响要比内摩擦角大。关键词:软硬互层;顺层岩质边坡;岩层倾角;层厚比;失稳机理0 引言随着我国西部大开发战略的实施,基建工程不断加快,西南地区由于地质条件的影响,发育有大量软硬互层顺层岩质边坡12,特别在重庆、云南等地富含红层泥岩、变质岩3,软硬互层顺层岩质边坡在高速公路、铁路等建设过程中十分常见,对施工的正常进行和人员生命财产安全造成了极大威胁。软硬互层顺层岩质边坡的变形破坏受到很多因素的影响,特别是边坡的坡体结构和岩体结构的特殊性,导致软硬互层顺层岩质边坡的失稳机理和变形破坏特征十分复杂45。在关于软硬互层岩体强度劣化机理的研究中,亢金涛等6研究了软硬岩层之间的结构面对软硬互层岩体强度衰减的作用机制,此外还考虑了岩层倾角的影响。张振华、张景昱、刘新荣等79通过开展室内力学试验,研究了三峡库区中砂岩/红层软岩软硬互层岩体的强度变化规律和变形特征。在软硬互层顺层岩质边坡的失稳机理研究中,霍逸康等1 0分析了影响软硬互层反倾岩质边坡稳定性的包括因素,并采用离散元U D E C软件,研究了边坡倾角、坡高等7个因素下边坡的稳定性变化情况。谭明健等1 1则从坡面角度、岩层节理的分布情况等因素入手,采用边坡物理模型试验研究了软硬互层顺层岩质边坡的破坏模式。黄达等1 2以离心模型试验为基础,采用离散元数值模拟研究了软硬互层反倾边坡发生倾倒变形的破坏机制。本文对软硬互层顺层岩质边坡的稳定性影响因素进行了定性分析,然后采用F L A C 3 D数值模拟软件,分析了不同岩层倾角、软硬岩层厚度比和岩性组合下软硬互层顺层岩质边坡的位移变化规律,揭示了软硬互层顺层岩质边坡的失稳机理,为该类型边坡事故的防治提供了理论依据。1 软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素分析软硬互层顺层岩质边坡的稳定性受到很多因素的影响,如大气降水、边坡岩体的力学强度、岩体结构、人工开挖等。但这些因素总结起来可以分为两类:内在因素和外在因素1 3。内因包括边坡的岩体和坡体特性,岩体特性主要为岩性、岩层厚度等,坡体特性包括岩层倾角、结构面的形状、坡体的形态等;外因则是诱发因素,通过影响内因使得边坡的稳定状态发生改变,如降雨、振动、开挖等。对于软硬互层顺层岩质边坡来讲,通常是多个因素互相发挥作用,共同控制着边坡的稳定状态和变形破坏特征。1.1 内因(1)岩性。岩性是决定软硬互层顺层岩质边坡稳定性最主要的因素之一。软石力学强度的大小、遇水是否会崩解软化、软岩和硬岩强度的差异程度等均是边坡保持稳定状态的基础。(2)岩层厚度。软硬互层岩体通常有3种结构:以硬岩为主夹软岩,硬岩层厚度大;以软岩为主夹硬岩,软岩层厚度大;软硬岩层厚度相同。不同的结构主要通过岩层的厚度或者软硬岩层的厚度比来决定,不同的岩层厚度决定了边坡整体的岩体性质,通常来讲,硬岩层越厚,边坡越稳定。(3)岩层倾角。岩层倾角会影响到软硬互层岩I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.014体的接触面强度和下滑推力,根据岩层倾角可以将边坡划分为4种类型:近水平缓倾(倾角1 5);斜向(倾角为1 5 6 0);陡倾(倾角为6 0 9 0);反倾(倾角大于9 0)。不同岩层倾角对应的边坡稳定性会存在着很大差异。1.2 外因(1)大气条件。影响软硬互层顺层岩质边坡的气象环境主要为降雨、曝晒、降雪等,因此而带来的水化作用、风化作用和冻融作用等会大幅削弱边坡岩体的强度,使岩体结构变得破碎不稳定,导致边坡十分容易发生失稳破坏1 4。(2)人类活动。开挖、换填、堆载等人类活动会打破边坡整体的应力场,使得之前稳定的应力状态发生改变,从而影响到边坡的稳定状态。影响软硬互层顺层岩质边坡稳定性的影响因素如图1所示。图1 软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素2 软硬互层顺层岩质边坡数值分析2.1 数值模型的建立以岩层倾角为3 0 的斜向边坡为例,所建立的数值模型长度为1 8 0m(x方向)、宽度为5 0m(y方向)、高度为7 0m(z方向)。模型共有2 5 5 0个单元,3 9 7 1个节点,边界条件为模型的x方向,y方向采用位移约束,屈服准则采用M o h r-C o u l o m b屈服准则。此外,软岩层和硬岩层的层厚相同,均为1 0m,软硬接触面强度参数依据以下公式进行赋值1 5,软硬岩的物理力学参数见表1。表1 软硬岩物理力学参数岩石类型密度/(g/c m3)体积模量/G P a剪切模量/G P a软岩2.3 00.3 00.2 0硬岩2.4 32.1 11.6 8岩石类型抗拉强度/M P a黏聚力/M P a内摩擦角/()软岩1.8 92.2 01 7.0 1硬岩5.4 46.3 53 3.9 6kn=ks=1 0 m a xK+43G()zm i n|c=0.8cm i n=0.8m i n式中,kn、ks分别为接触面的法向刚度和切向刚度;K、G分别为硬岩的体积模量和剪切模量;zm i n为接触面法向方向上连接区域上的最小尺寸;c、分别为接触面的黏聚力和内摩擦角,cm i n、m i n分别为软岩体的黏聚力和内摩擦角。图2 软硬互层顺层岩质边坡数值计算模型2.2 岩层倾角对边坡稳定性的影响对于软硬互层顺层岩质边坡,岩层倾角选择0、3 0、4 5 和6 0,岩层厚度均为1 0m,软硬岩层排列方52邓安:软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素及失稳机理研究式如图3所示。(a)(b)(c)(d)图3 软硬岩层排列方式不同岩层倾角下软硬互层顺层岩质边坡的x方向位移计算结果如图4所示。从图4中可以看出,随着岩层倾角的增大,边坡的位移逐渐增大,从0 下的x方向最大位移1 3.1 5c m增大至6 0 下的9 3.2 9c m,此时边坡已经发生严重失稳。此外,在岩层倾角为0 4 5 时,边坡位移大的区域主要是沿着接触面集中在边坡的右侧底部位置,而岩层倾角为6 0 时,则是沿左侧的软硬岩层交界面处集中分布。说明当岩层倾角过大时,软硬互层顺层岩质边坡的失稳不再是整体的推移式滑坡,而是沿着接触面呈现分层滑动,前者在工程上主要体现为地表的开裂,岩体向下垮塌,后者则主要体现在地表沉降上。(a)0 (b)3 0(c)4 5 (d)6 0 图4 不同岩层下软硬互层顺层岩质边坡x方向位移云图2.3 层厚比对边坡稳定性的影响将层厚比定义为软硬互层顺层岩质边坡中软岩层厚和硬岩层厚的比值,为了探究软硬岩层厚度对软硬互层顺层岩质边坡稳定性的影响,共设置层厚比为1 1,1 2,1 3,2 1和3 1五种类型,如图5所示。图5 不同层厚比软硬互层顺层岩质边坡示意图不同层厚比下软硬互层顺层岩质边坡的x方向位移云图如图6所示。无论是以硬岩为主(硬岩层厚度大)还是以软岩为主(软岩层厚度大),软硬互层顺层岩质边坡的稳定性均在降低,并且随着层厚比的增大边坡位移不断降低。从图6边坡的整体位移可以看出,随着硬岩层厚度的增大,软硬互层向软岩夹层转变,边坡的大位移区域向坡顶延伸,滑坡范围更长,滑移面集中在软岩层,此时边坡沿最左侧的软岩层呈推移式滑坡;而随着软岩层厚度的增大,软硬互层向软岩边坡转变,边坡的大位移区域向左延伸,滑坡范围更宽更广,但是硬岩夹层不像软岩夹层那62采矿技术2 0 2 3,2 3(2)样为影响边坡稳定性的主要因素,边坡的失稳不是主要沿着硬岩夹层发生滑动,而是整体的向下推移。2.4 岩性对边坡稳定性的影响黏聚力和内摩擦角是决定岩体抗剪强度最重要的两个参数,直接影响着边坡的稳定性。将软硬互层顺层岩质边坡中软岩层的黏聚力和内摩擦角各设为3个梯度,以此来分析两者对边坡稳定性的影响程度。黏聚力分别设置为1.2M P a、1.7M P a和2.2M P a,内摩擦角分别设置为7.0 1、1 2.0 1 和1 7.0 1,计算结果如图7所示。从图7可以看出,黏聚力要比内摩擦角对软硬互层顺层岩质边坡的稳定性影响大,随着黏聚力的减少,边坡的稳定性逐渐下降,x方向最大位移从1 6.1 4c m增至3 6.0 9c m;而随着内摩擦角的减少,边坡x方向最大位移从1 6.1 4c m增至1 7.2 3c m,增加幅度远小于黏聚力。(a)1 1(b)1 2(c)1 3(d)2 1 (e)3 1图6 不同层厚比软硬互层顺层岩质边坡x方向位移云图(a)c=2.2M P a、=1 7.0 1 (b)c=1.7M P a、=1 7.0 1 (c)c=1.2M P a、=1 7.0 1 (d)c=2.2M P a、=1 2.0 1 (e)c=2.2M P a、=7.0 1 图7 不同岩性(黏聚力、内摩擦角)软硬互层顺层岩质边坡x方向位移云图3 结论(1)对影响软硬互层顺层岩质边坡稳定性的因素进行了分析,主要分为了内在因素和外在因素两大类,并细分了其中1 5个主要影响因素。(2)建立了软硬互层顺层岩质边坡的数值计算72邓安:软硬互层顺层岩质边坡稳定性影响因素及失稳机理研究模型,分析了岩层倾角、层厚比和岩性对边坡稳定性的影响。结果表明,当岩层倾角过大时,软硬互层顺层岩质边坡的失稳不再是整体的推移式滑坡,而是沿着接触面呈现分层滑动。(3)随着硬岩层厚度或软岩层厚度的增加,边坡稳定性都在降低。硬岩层厚度大时,软硬互层转化成软岩夹层,边坡沿软岩层滑动。而当软岩层厚度大,边坡则呈现整体滑动,滑动面并不在硬岩层上。(4)随着黏聚力和内摩擦角的降低,边坡的稳定性大幅降低,不过黏聚力影响要比内摩擦角大。参考文献:1 蓝恒星,张宁,李郎平,等.川藏铁路可研阶段重大工程地质风险分析J.工程地质学报,2 0 2 1,2 9(2):3 2 6-3 4 1.2T A N GH M,WA S OW S K I J,J UA N GCH.G e o h a z a r d s i n t h eT h r e eG o r g e sR e s e r v o i rA r e a,C h i n aL e s s o n sL e a r n e d f r o mD e c-a d e s o fR e s e a r c hJ.E n g i n e e r i n gG e o l o g y,2 0 1 9,2 6 1:1 0 5 2 6 7.3何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程力学M.北京:科学出版社,2 0 0 2.4朱冬雪,许强,李松林.三峡库区大型 特大型层状岩质滑坡成因模式及地质特征分析J.地质科技通报,2 0 2 0,3 9(2):1 5 8-1 6 7.5张家明.含软弱夹层岩质边坡稳定性研究现状及发展趋势J.工程地质学报,2 0 2 0,2 8(3):6 2 6-6 3 8.6亢金涛,吴琼,唐辉明,等.岩石/结构面劣化导致巴东组软硬互层岩体强度劣化的作用机制J.地球科学,2 0 1 9,4 4(1 1):3 9 5 0-3 9 6 0.7张振华,黄翔,崔强.水库运行期岸坡消落带红砂岩抗拉强度劣化机制J.岩石力学与工程学报,2 0 1 7,3 6(1 1):2 7 3 1-2 7 4 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